Керівництво з проектування друкованих плат фітнес-трекерів та виготовлення друкованих плат

Друкована плата фітнес-трекера повинна поєднувати датчики, підключення Bluetooth PCB , інтерфейс дисплея або індикатора, тактильні датчики та плату керування батареєю в тонкому носимому корпусі. Інженерна складність полягає не в тому, щоб мати якусь окрему підсистему; вона полягає в тому, щоб змусити їх усі співіснувати, зберігаючи якість датчиків, продуктивність бездротового зв'язку та багатоденний час роботи від батареї. Одна й та ж друкована плата може потребувати підтримки оптичного генератора фотонавантаження (PPG), інерційного блоку живлення (IMU), флеш-пам'яті, заряджання та вібраційного двигуна, не дозволяючи цим навантаженням порушувати чутливий тракт вимірювання.

Виробництво носимих пристроїв також додає механічних та екологічних обмежень. Плата може бути тонкою, гнучкою або жорстко-гнучкою ; компоненти можуть розташовуватися дуже близько до корпусу; піт і волога можуть потрапляти на недосконалі ущільнення; а виріб багаторазово заряджається та зношується. Тому успішний прототип потребує виробничого плану для вирівнювання датчиків, захисту антени, дрібного кроку поверхневого монтажу, покриття або герметизації інтерфейсів та функціонального тестування.

Компанія Highleap Electronics може виготовляти друковані плати та збірки друкованих плат для фітнес-трекерів за індивідуальними проектами , постачати компоненти, збирати корпуси з дрібним кроком та гнучкі збірки за потреби, а також виконувати програмування та функціональні випробування, визначені замовником. Остаточна біометрична точність, алгоритми та заяви про медичний стан або оздоровлення залишаються поза межами звичайного виробництва друкованих плат.

П'ять інженерних пріоритетів визначають друковану плату фітнес-трекера

Ця архітектура відрізняється від розумного кільця головним чином тим, що наручний трекер зазвичай має більшу площу та може містити дисплей. Ця додаткова площа робить звичайні жорсткі або тонкі багатошарові друковані плати більш практичними, але роз'єми дисплея, сенсорні інтерфейси та тактильні навантаження створюють власні проблеми з маршрутизацією та живленням. Правильну конструкцію слід вибирати на основі корпусу та щільності упаковки, а не припускати, що кожен носимий пристрій потребує жорстко-гнучкої конструкції або високоякісного роз'єму.

Виробничий пакет також повинен визначати, які функції є модулями, а які — на рівні мікросхем. Попередньо сертифікований модуль BLE може спростити компонування радіочастотних елементів за рахунок площі; система на кристалі BLE з антеною на друкованій платі може заощадити площу, але вимагає чіткішого компонування опорних ліній та контролю узгодження. Той самий компроміс стосується інтегрованих модулів оптичних датчиків порівняно з дискретними світлодіодами та фотодіодами.

Розмітка друкованої плати та оптична інтеграція датчика PPG

Відбивний фотоелектронний фотоелектронний галоген (ФГГ) широко використовується в наручних пристроях. Світлодіоди освітлюють тканини, а фотодетектор приймає модульований відбитий сигнал. Інтегровані оптичні датчики, що переносяться, можуть включати драйвери світлодіодів, аналоговий інтерфейс та АЦП, але вони все ще залежать від фізичної оптики. Друкована плата встановлює положення компонента; корпус визначає контакт зі шкірою, оптичну ізоляцію та шлях світла.

Геометрія світлодіод-фотодіод

Розташування та орієнтація повинні відповідати довідковим інструкціям постачальника датчика та оптичній конструкції виробника оригінального обладнання (OEM). Переміщення датчика для полегшення прокладання траси може змінити шлях вимірювання. Таким чином, контур плати та механічні опорні точки повинні забезпечити повторюваність розташування датчика відносно вікна, спрямованого на зап'ястя.

Оптична ізоляція

Прямий витік світла від світлодіода до фотодіода може зменшити корисний сигнал. Механічні бар'єри, темні прокладки та литі елементи часто мають більше значення, ніж мідь друкованої плати. На складальному кресленні все одно слід позначати оптичні блокувальні елементи, щоб паяльна маска, клей, покриття або сусідні відбиваючі компоненти не проникали в задану порожнину.

Живлення та заземлення

Імпульси світлодіодів створюють струмові перехідні процеси, які можуть надходити на аналоговий інтерфейс або живлення мікроконтролера. Локальні шляхи розв'язки та повернення повинні відповідати схемі датчика. Шина акумулятора, яка виглядає стабільною при середньому струмі, може просідати під час імпульсів світлодіодів або радіопередачі, тому випробування прототипу повинні фіксувати реальну форму активного сигналу.

Уникайте перетворення датчика здоров'я на необґрунтоване медичне твердження

Виробництво друкованих плат може перевірити зв'язок датчика та оптичну відповідь, визначену замовником. Це не встановлює клінічну точність чи нормативний статус. Стаття та заводська котирування повинні чітко визначати ці межі, особливо коли трекер включає оптичні довжини хвиль, пов'язані з SpO2, або функції вимірювання частоти серцевих скорочень.

Архітектура живлення для багатоденного часу роботи від акумулятора

Термін служби батареї залежить від зваженого за часом робочого профілю. Трекер може проводити більшу частину свого часу в режимі низького енергоспоживання, періодично прокидатися для вимірювання показників датчиків, імпульсної генерації світлодіодів PPG, оновлення дисплея, реєстрації даних та передачі даних через BLE. Тому конструкція повинна оптимізувати як струм спокою, так і енергію активних імпульсів.

Вибір регулятора

LDO може забезпечити просту тиху лінію, коли напруга акумулятора та навантаження близькі. Понижувальний або понижувально-підвищувальний перетворювач може витягувати більше корисної енергії під час розряду акумулятора, але створює шум перемикання та власний струм спокою. Носимі PMIC можуть поєднувати зарядку та кілька ліній. Найкраща архітектура залежить від діапазону напруги акумулятора, чутливості датчика та робочого циклу, а не від універсальної переваги LDO або DC-DC.

Випробування виробничого струму

Струм сну є корисним методом перевірки на виробництві, оскільки паяні містки, неправильні значення компонентів, витік або конфігурація прошивки можуть значно його підвищити. Пристрій повинен визначати стан прошивки та час встановлення. Межі активного струму також можна вимірювати під час роботи датчика або BLE. Ці тести мають більшу важливість, ніж перевірка лише того, що плата ввімкнена.

Розташування антени BLE, навантаження на зап'ястя та захист від радіочастот

Наручний пристрій працює близько до корпусу, дисплея, акумулятора та корпусу. Ці матеріали впливають на антену. Якщо трекер використовує антену на друкованій платі, то блокувальний елемент та опорне заземлення навколо неї є частиною радіочастотної конструкції. Гнучкий хвіст, металева рамка або зсув акумулятора можуть змінити налаштування, навіть якщо схема радіоприймача залишається незмінною.

Дотримуйтесь схеми радіодовідки

Компонування радіочастотної плати : схема узгодження SoC BLE та геометрія живлення повинні залишатися близькими до перевіреного еталону. Мідні заливки, перехідні отвори та тестові контакти, додані навколо антени, можуть змінювати паразитну ємність та імпеданс. DFM повинен ідентифікувати радіочастотну зону як контрольовану конструкцією, щоб зміни технологічності відбувалися в інших місцях, якщо їх не схвалить інженер.

Навантаження тіла

Радіочастотні характеристики слід перевіряти на зібраному носячому пристрої або відповідному приладі, оскільки зап'ястя змінює середовище антени. Тест діапазону на голій друкованій платі корисний для налагодження, але не відображає кінцеві умови. Виробниче випробування може виявити відсутні/неправильно розміщені радіочастотні компоненти та підтвердити зв'язок, тоді як повне налаштування антени належить до інженерної перевірки.

Співіснування з дисплеєм та датчиками

Швидкі фронти дисплея та перемикаючі регулятори можуть створювати шум навколо радіосигналу, тоді як радіоімпульси можуть потрапляти в чутливі оптичні або аналогові схеми. Фізичне розміщення, опорні площини та планування можуть зменшити взаємодію. Точне зменшення залежить від продукту; завдання виробника полягає у збереженні вивільненого розміщення та узгодження компонентів.

Тонка друкована плата, гнучкість, жорстко-гнучка плата та коли допомагає HDI

Фітнес-трекери можуть використовувати тонку жорстку багатошарову плату, коли електроніка розміщується в центральному корпусі. Гнучкий матеріал може підключати дисплей, бічні кнопки, контакти для зарядки або плату датчика, спрямованого на зап'ястя. Жорсткий-гнучкий матеріал може зменшити кількість роз'ємів та товщину там, де це виграє від механічної архітектури. Жодну з цих технологій не слід використовувати виключно тому, що продукт можна носити.

HDI стає корисним, коли дрібний крок BGA або серйозні обмеження площі роблять стандартну трасування наскрізних переходів непрактичною. Мікропереходи та встановлення переходів у контактну площадку можуть покращити щільність виходу, але вони збільшують складність виготовлення. Команда розробників повинна порівняти трохи більший корпус або інше розміщення компонентів, перш ніж зупинитися на HDI виключно на дизайні.

Прототип і серійний зразок повинні використовувати ту саму заплановану конструкцію якомога раніше. Товста жорстка оціночна плата може перевірити прошивку, але мало що розповість про антену, оптичне вирівнювання або деформацію згину серійного носимого пристрою. Апаратне забезпечення для глибокого пробою порожнини (DVT)/пілотного тестування, призначене для серійного виробництва, є важливим перед завершенням оснащення та випробувань надійності.

Фітнес-трекер PCBA: датчики BGA/QFN/LGA, дисплей та тактильна діагностика

Носимі збірки часто використовують корпуси мікроконтролерів/систем на кристалі QFN або BGA, невеликі інерційні датчики LGA, оптичні модулі, роз'єми дисплеїв на основі плавно нанесених ПК та мініатюрні пасивні елементи. Ризики їх складання відрізняються. Корпуси з нижніми терміналами потребують хорошого контролю об'єму пасти, тоді як гнучкі роз'єми потребують вирівнювання та механічної підтримки. Оптичні датчики потребують чистих вікон та точної орієнтації.

Пристрої, чутливі до оплавлення та вологи

Поводження з компонентами повинно відповідати вимогам виробника щодо вологості та паяння. Тонкі плати можуть деформуватися під час нагрівання, особливо якщо розподіл міді нерівномірний. Рейки панелі та опорні кріплення можуть покращити площинність для друку та розміщення. Якщо включена гнучка секція, складальна панель може потребувати тимчасового посилення або несучого інструменту.

Вібраційний двигун

Тактильний двигун електрично простий, але механічно впливовий. Він генерує імпульс струму та може створювати магнітні або вібраційні перешкоди для датчиків. Плата та корпус повинні відводити струм двигуна подалі від чутливих джерел сигналу та забезпечувати зняття натягу для проводів або роз'ємів. Функціональний тест повинен випробувати двигун, оскільки неправильне підключення може пройти всі тести цифрових датчиків.

Роз'єм дисплея

Орієнтація FPC є частим виробничим ризиком. Складальні креслення повинні показувати сторону введення кабелю, перший контакт та положення фіксатора. Високошвидкісні сигнали відображення повинні зберігати свій опорний шлях через вивід роз'єму, а DFM не повинен додавати великі тестові шлейфи до чутливих до синхронізації ліній.

огляд

AOI може перевірити видимі місця пайки та полярності. Рентгенівські промені можна використовувати для перевірки прихованих з'єднань BGA/QFN/LGA, якщо це обґрунтовано. Вікна оптичних датчиків можуть потребувати окремої перевірки на забруднення. Ці кроки перевірки повинні визначатися фактичним ризиком упаковки, а не перераховуватися без розбору для кожної плати, що носиться.

Надійність носимого пристрою: піт, вологість, удари та щоденне заряджання

Фітнес-трекери працюють у більш агресивному середовищі, ніж настільні сенсорні плати. Піт і конденсат можуть потрапити на електроніку, якщо герметичність пошкоджена. Пристрій падає, згинається зап'ястям, піддається температурним циклам і багаторазово заряджається. Конструкція та складання друкованої плати можуть підвищити стійкість, але корпус залишається основним бар'єром навколишнього середовища.

Конформне покриття

Покриття може захищати вибрані схеми від вологи або забруднення, але його необхідно замаскувати подалі від роз'ємів, зарядних контактів, антен, оптичних датчиків та точок вимірювання, якщо це необхідно. Товщина та хімічний склад покриття можуть впливати на його доопрацювання та радіочастотну/оптичну поведінку. Це має бути визначено конструкцією виробу, а не додано автоматично, оскільки виріб можна носити.

Підтримка роз'ємів та паяних з'єднань

Зарядні контакти, USB-роз'єми на деяких конструкціях та дроти двигуна повинні мати механічну підтримку, щоб щоденне навантаження користувача не переносилося виключно на тонкі паяні з'єднання. Гнучкі переходи повинні уникати різких вигинів на краях елементів жорсткості. Випробування на падіння та кручення на рівні виробу необхідні для перевірки цих конструкцій.

Корозія та залишки

Іонні залишки можуть прискорити корозію за наявності вологи. Тому вимоги до очищення повинні відповідати екологічному ризику виробу та сумісності датчиків і роз'ємів. Позначення флюсу як «не потребує очищення» не означає автоматично, що вузол підходить для будь-якого вологого носіння; виробник оригінального обладнання (OEM) повинен визначити прийнятний процес.

Фактори, що впливають на вартість друкованих плат фітнес-трекерів, та планування від прототипу до виробництва

Гола друкована плата – це лише одна частина вартості носимих пристроїв. Оптичні датчики, BLE SoC, дисплей, акумулятор, гнучка конструкція та робота з випробувань можуть домінувати. Тому зниження витрат має враховувати загальну збірку та вихід продукції, а не нав'язування мінімально можливої ​​кількості шарів.

Збірки прототипів повинні перевіряти оптичне вирівнювання, продуктивність BLE на зап'ясті, час роботи від батареї, нагрівання під час заряджання, струм сну та прилягання корпусу. Пілотні збірки повинні фіксувати панелізацію, гнучке формування, покриття/маскування, програмування та тестування приладів. Масові збірки потім зосереджуються на безперервності специфікації продукції (BOM), альтернативному затвердженні, відстежуваності та продуктивності процесу.

Затверджені альтернативи заслуговують на інженерний огляд, оскільки, здавалося б, еквівалентні компоненти носимих пристроїв можуть змінювати висоту корпусу, споживання енергії, радіочастотну поведінку або оптичну характеристику. Контрольована альтернатива, впроваджена під час пілотної партії, набагато безпечніша, ніж автоматична заміна під час дефіциту обсягів.

Час тестування часто є недооціненим фактором витрат. Пристрій, який програмує прошивку, вимірює струм сну, опитує датчики, перевіряє зарядку та BLE в одній автоматизованій послідовності, може швидко виправдати витрати на розробку порівняно з ручним зондуванням кожного пристрою.

Як вибрати виробника друкованих плат для фітнес-трекера

Партнер-виробник повинен бути впевненим у складанні мініатюрних датчиків, гнучкому управлінні та контролі змін у низькому енергоспоживанні/радіочастотних системах, але не повинен брати на себе відповідальність за біометричні алгоритми або точність стану готового продукту. Найкращі відносини з постачальником чітко встановлюють межі: інженерія визначає вимірювальну та радіочастотну систему; виробництво зберігає випущений дизайн та перевіряє складання на відповідність визначеним тестам.

• Тонке багатошарове, гнучке або жорстко-гнучке виготовлення, що відповідає випущеній конструкції.
• Можливість використання HDI/мікровідводів, коли цього дійсно вимагає дрібнокаліберна трасування.
• Збірка роз'ємів BGA/QFN/LGA та FPC з перевіркою відповідності ризику.
• Контрольоване постачання оптичних датчиків, BLE SoC, PMIC та компонентів для узгодження радіочастотних сигналів.
• Програмування, вимірювання струму сну та функціональне тестування датчика/BLE, визначеного користувачем.
• Перенесення процесу від прототипів до повторного виробництва з використанням специфікації продукції (BOM) та контролю редагувань.

Пакет запитів цінових пропозицій

Highleap Electronics може переглянути цей пакет для виготовлення друкованих плат, постачання компонентів та визначення вартості друкованих плат. Мета полягає в тому, щоб зберегти перевірену геометрію датчика, архітектуру з низьким енергоспоживанням, компонування радіочастотних елементів та процес складання зі збільшенням кількості, без додавання складності виробництва, якої продукт не потребує.

Поширені запитання

Вимоги до виробництва слід підтвердити на відповідність опублікованим файлам проекту, специфікаціям виробників компонентів та застосовним вимогам валідації або нормативним актам кінцевого продукту.